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首先,我们先聊聊React的基本组成:当我们写React组件并使用JSX时,React在底层会将JSX转换为元素的对象结构。例如:
const element = <h1>Hello, world</h1>;
上述代码会被转换为以下形式:
const element = React.createElement(
'h1',
null,
'Hello, world'
);
为了将这个元素渲染到DOM上,React需要创建一种内部实例,用来追踪该组件的所有信息和状态。在早期版本的React中,我们称之为“实例”或“虚拟DOM对象”。但在Fiber架构中,这个新的工作单元就叫做Fiber。
所以,在本质上,Fiber是一个JavaScript对象,代表React的一个工作单元,它包含了与组件相关的信息。一个简化的Fiber对象长这样:
{
type: 'h1', // 组件类型
key: null, // React key
props: { ... }, // 输入的props
state: { ... }, // 组件的state (如果是class组件或带有state的function组件)
child: Fiber | null, // 第一个子元素的Fiber
sibling: Fiber | null, // 下一个兄弟元素的Fiber
return: Fiber | null, // 父元素的Fiber
// ...其他属性
}
当React开始工作时,它会沿着Fiber树形结构进行,试图完成每个Fiber的工作(例如,比较新旧props,确定是否需要更新组件等)。如果主线程有更重要的工作(例如,响应用户输入),则React可以中断当前工作并返回执行主线程上的任务。
因此,Fiber不仅仅是代表组件的一个内部对象,它还是React的调度和更新机制的核心组成部分。
在React 16之前的版本中,是使用递归的方式处理组件树更新,称为堆栈调和(Stack Reconciliation),这种方法一旦开始就不能中断,直到整个组件树都被遍历完。这种机制在处理大量数据或复杂视图时可能导致主线程被阻塞,从而使应用无法及时响应用户的输入或其他高优先级任务。
Fiber的引入改变了这一情况。Fiber可以理解为是React自定义的一个带有链接关系的DOM树,每个Fiber都代表了一个工作单元,React可以在处理任何Fiber之前判断是否有足够的时间完成该工作,并在必要时中断和恢复工作。
我们来看一下源码里FiberNode的结构:
function FiberNode( this: $FlowFixMe, tag: WorkTag, pendingProps: mixed, key: null | string, mode: TypeOfMode, ) { // 基本属性 this.tag = tag; // 描述此Fiber的启动模式的值(LegacyRoot = 0; ConcurrentRoot = 1) this.key = key; // React key this.elementType = null; // 描述React元素的类型。例如,对于JSX<App />,elementType是App this.type = null; // 组件类型 this.stateNode = null; // 对于类组件,这是类的实例;对于DOM元素,它是对应的DOM节点。 // Fiber链接 this.return = null; // 指向父Fiber this.child = null; // 指向第一个子Fiber this.sibling = null; // 指向其兄弟Fiber this.index = 0; // 子Fiber中的索引位置 this.ref = null; // 如果组件上有ref属性,则该属性指向它 this.refCleanup = null; // 如果组件上的ref属性在更新中被删除或更改,此字段会用于追踪需要清理的旧ref // Props & State this.pendingProps = pendingProps; // 正在等待处理的新props this.memoizedProps = null; // 上一次渲染时的props this.updateQueue = null; // 一个队列,包含了该Fiber上的状态更新和副作用 this.memoizedState = null; // 上一次渲染时的state this.dependencies = null; // 该Fiber订阅的上下文或其他资源的描述 // 工作模式 this.mode = mode; // 描述Fiber工作模式的标志(例如Concurrent模式、Blocking模式等)。 // Effects this.flags = NoFlags; // 描述该Fiber发生的副作用的标志(十六进制的标识) this.subtreeFlags = NoFlags; // 描述该Fiber子树中发生的副作用的标志(十六进制的标识) this.deletions = null; // 在commit阶段要删除的子Fiber数组 this.lanes = NoLanes; // 与React的并发模式有关的调度概念。 this.childLanes = NoLanes; // 与React的并发模式有关的调度概念。 this.alternate = null; // Current Tree和Work-in-progress (WIP) Tree的互相指向对方tree里的对应单元 // 如果启用了性能分析 if (enableProfilerTimer) { // …… } // 开发模式中 if (__DEV__) { // …… } }
其实可以理解为是一个更强大的虚拟DOM。
Fiber工作原理中最核心的点就是:可以中断和恢复,这个特性增强了React的并发性和响应性。
实现可中断和恢复的原因就在于:Fiber的数据结构里提供的信息让React可以追踪工作进度、管理调度和同步更新到DOM
现在我们来聊聊Fiber工作原理中的几个关键点:
单元工作:每个Fiber节点代表一个单元,所有Fiber节点共同组成一个Fiber链表树(有链接属性,同时又有树的结构),这种结构让React可以细粒度控制节点的行为。
链接属性:child
、sibling
和 return
字段构成了Fiber之间的链接关系,使React能够遍历组件树并知道从哪里开始、继续或停止工作。
双缓冲技术: React在更新时,会根据现有的Fiber树(Current Tree)创建一个新的临时树(Work-in-progress (WIP) Tree),WIP-Tree包含了当前更新受影响的最高节点直至其所有子孙节点。Current Tree是当前显示在页面上的视图,WIP-Tree则是在后台进行更新,WIP-Tree更新完成后会复制其它节点,并最终替换掉Current Tree,成为新的Current Tree。因为React在更新时总是维护了两个Fiber树,所以可以随时进行比较、中断或恢复等操作,而且这种机制让React能够同时具备拥有优秀的渲染性能和UI的稳定性。
memoizedProps
、pendingProps
和 memoizedState
字段让React知道组件的上一个状态和即将应用的状态。通过比较这些值,React可以决定组件是否需要更新,从而避免不必要的渲染,提高性能。flags
和 subtreeFlags
字段标识Fiber及其子树中需要执行的副作用,例如DOM更新、生命周期方法调用等。React会积累这些副作用,然后在Commit阶段一次性执行,从而提高效率。全文大量参考和引用以下几篇博文,读者可自行查阅:
React官网在React哲学一节开篇提到:
我们认为,React 是用 JavaScript 构建快速响应的大型 Web 应用程序的首选方式。它在 Facebook 和 Instagram 上表现优秀。React 最棒的部分之一是引导我们思考如何构建一个应用。
由此可见,React 追求的是 “快速响应”,那么,“快速响应“的制约因素都有什么呢?
本文要聊的fiber 架构主要就是用来解决 CPU 和网络的问题,这两个问题一直也是最影响前端开发体验的地方,一个会造成卡顿,一个会造成白屏。为此 react 为前端引入了两个新概念:Time Slicing 时间分片和Suspense。
Vue3.0 提出动静结合的 DOM diff 思想,动静结合的 DOM diff其实是在预编译阶段进行了优化。之所以能够做到预编译优化,是因为 Vue core 可以静态分析 template,在解析模版时,整个 parse 的过程是利用正则表达式顺序解析模板,当解析到开始标签、闭合标签和文本的时候都会分别执行对应的回调函数,来达到构造 AST 树的目的。
借助预编译过程,Vue 可以做到的预编译优化就很强大了。比如在预编译时标记出模版中可能变化的组件节点,再次进行渲染前 diff 时就可以跳过“永远不会变化的节点”,而只需要对比“可能会变化的动态节点”。这也就是动静结合的 DOM diff 将 diff 成本与模版大小正相关优化到与动态节点正相关的理论依据。
Vue 需要做数据双向绑定,需要进行数据拦截或代理,那它就需要在预编译阶段静态分析模版,分析出视图依赖了哪些数据,进行响应式处理。而 React 就是局部重新渲染,React 拿到的或者说掌管的,所负责的就是一堆递归 React.createElement 的执行调用(参考下方经过Babel转换的代码),它无法从模版层面进行静态分析。JSX 和手写的 render function 是完全动态的,过度的灵活性导致运行时可以用于优化的信息不足。
JSX 写法:
<div>
<h1>六个问题助你理解 React Fiber</h1>
<ul>
<li>React</li>
<li>Vue</li>
</ul>
</div>
递归 React.createElement:
// Babel转换后 React.createElement( "div", null, React.createElement( "h1", null, "\u516D\u4E2A\u95EE\u9898\u52A9\u4F60\u7406\u89E3 React Fiber" ), React.createElement( "ul", null, React.createElement("li", null, "React"), React.createElement("li", null, "Vue") ) );
既然存在以上编译时先天不足,在运行时优化方面,React一直在努力。比如,React15实现了batchedUpdates(批量更新)。即同一事件回调函数上下文中的多次setState只会触发一次更新。
但是,如果单次更新就很耗时,页面还是会卡顿(这在一个维护时间很长的大应用中是很常见的)。这是因为React15的更新流程是同步执行的,一旦开始更新直到页面渲染前都不能中断。
React15架构可以分为两层:
在React15及以前,Reconciler采用递归的方式创建虚拟DOM,递归过程是不能中断的。如果组件树的层级很深,递归会占用线程很多时间,递归更新时间超过了16ms,用户交互就会卡顿。
为了解决这个问题,React16将递归的无法中断的更新重构为异步的可中断更新,由于曾经用于递归的虚拟DOM数据结构已经无法满足需要。于是,全新的Fiber架构应运而生。
为了解决同步更新长时间占用线程导致页面卡顿的问题,也为了探索运行时优化的更多可能,React开始重构并一直持续至今。重构的目标是实现Concurrent Mode(并发模式)。
从v15到v16,React团队花了两年时间将源码架构中的Stack Reconciler重构为Fiber Reconciler。
React16架构可以分为三层:
React16的expirationTimes模型只能区分是否>=expirationTimes
决定节点是否更新。React17的lanes模型可以选定一个更新区间,并且动态的向区间中增减优先级,可以处理更细粒度的更新。
Lane用二进制位表示任务的优先级,方便优先级的计算(位运算),不同优先级占用不同位置的“赛道”,而且存在批的概念,优先级越低,“赛道”越多。高优先级打断低优先级,新建的任务需要赋予什么优先级等问题都是Lane所要解决的问题。
Concurrent Mode的目的是实现一套可中断/恢复的更新机制。其由两部分组成:
资料参考:React17新特性:启发式更新算法
我们都知道,页面的内容都是一帧一帧绘制出来的,浏览器刷新率代表浏览器一秒绘制多少帧。原则上说 1s 内绘制的帧数也多,画面表现就也细腻。目前浏览器大多是 60Hz(60帧/s),每一帧耗时也就是在 16.6ms 左右。那么在这一帧的(16.6ms) 过程中浏览器又干了些什么呢?
通过上面这张图可以清楚的知道,浏览器一帧会经过下面这几个过程:
第七步的 RIC 事件不是一帧结束都会执行,只有在一帧的 16.6ms 中做完了前面 6 件事儿且还有剩余时间,才会执行。如果一帧执行结束后还有时间执行 RIC 事件,那么下一帧需要在事件执行结束才能继续渲染,所以 RIC 执行不要超过 30ms,如果长时间不将控制权交还给浏览器,会影响下一帧的渲染,导致页面出现卡顿和事件响应不及时。
我们以浏览器是否有剩余时间作为任务中断的标准,那么我们需要一种机制,当浏览器有剩余时间时通知我们。
requestIdleCallback((deadline) => { // deadline 有两个参数 // timeRemaining(): 当前帧还剩下多少时间 // didTimeout: 是否超时 // 另外 requestIdleCallback 后如果跟上第二个参数 {timeout: ...} 则会强制浏览器在当前帧执行完后执行。 if (deadline.timeRemaining() > 0) { // TODO } else { requestIdleCallback(otherTasks); } }); // 用法示例 var tasksNum = 10000 requestIdleCallback(unImportWork) function unImportWork(deadline) { while (deadline.timeRemaining() && tasksNum > 0) { console.log(`执行了${10000 - tasksNum + 1}个任务`) tasksNum-- } if (tasksNum > 0) { // 在未来的帧中继续执行 requestIdleCallback(unImportWork) } }
其实部分浏览器已经实现了这个API,这就是requestIdleCallback。但是由于以下因素,Facebook 抛弃了 requestIdleCallback 的原生 API:
基于以上原因,在React中实现了功能更完备的requestIdleCallbackpolyfill,这就是Scheduler。除了在空闲时触发回调的功能外,Scheduler还提供了多种调度优先级供任务设置。
Fiber 的英文含义是“纤维”,它是比线程(Thread)更细的线,比线程(Thread)控制得更精密的执行模型。在广义计算机科学概念中,Fiber 又是一种协作的(Cooperative)编程模型(协程),帮助开发者用一种【既模块化又协作化】的方式来编排代码。
在 React 中,Fiber 就是 React 16 实现的一套新的更新机制,让 React 的更新过程变得可控,避免了之前采用递归需要一气呵成影响性能的做法。
把一个耗时长的任务分成很多小片,每一个小片的运行时间很短,虽然总时间依然很长,但是在每个小片执行完之后,都给其他任务一个执行的机会,这样唯一的线程就不会被独占,其他任务依然有运行的机会。
React Fiber 把更新过程碎片化,每执行完一段更新过程,就把控制权交还给 React 负责任务协调的模块,看看有没有其他紧急任务要做,如果没有就继续去更新,如果有紧急任务,那就去做紧急任务。
基于栈的 Reconciler,浏览器引擎会从执行栈的顶端开始执行,执行完毕就弹出当前执行上下文,开始执行下一个函数,直到执行栈被清空才会停止。然后将执行权交还给浏览器。由于 React 将页面视图视作一个个函数执行的结果。每一个页面往往由多个视图组成,这就意味着多个函数的调用。
如果一个页面足够复杂,形成的函数调用栈就会很深。每一次更新,执行栈需要一次性执行完成,中途不能干其他的事儿,只能"一心一意"。结合前面提到的浏览器刷新率,JS 一直执行,浏览器得不到控制权,就不能及时开始下一帧的绘制。如果这个时间超过 16ms,当页面有动画效果需求时,动画因为浏览器不能及时绘制下一帧,这时动画就会出现卡顿。不仅如此,因为事件响应代码是在每一帧开始的时候执行,如果不能及时绘制下一帧,事件响应也会延迟。
在 React Fiber 中用链表遍历的方式替代了 React 16 之前的栈递归方案。在 React 16 中使用了大量的链表。
<div id="A">
A1
<div id="B1">
B1
<div id="C1"></div>
</div>
<div id="B2">
B2
</div>
</div>
链表是一种简单高效的数据结构,它在当前节点中保存着指向下一个节点的指针;遍历的时候,通过操作指针找到下一个元素。
链表相比顺序结构数据格式的好处就是:
但链表也不是完美的,缺点就是:
React 用空间换时间,更高效的操作可以方便根据优先级进行操作。同时可以根据当前节点找到其他节点,在下面提到的挂起和恢复过程中起到了关键作用。
递归形式的斐波那契数列写法:
function fib(n) {
if (n <= 2) {
return 1;
} else {
return fib(n - 1) + fib(n - 2);
}
}
采用 Fiber 的思路将其改写为循环(这个例子并不能和 React Fiber 的对等):
function fib(n) { let fiber = { arg: n, returnAddr: null, a: 0 }, consoled = false; // 标记循环 rec: while (true) { // 当展开完全后,开始计算 if (fiber.arg <= 2) { let sum = 1; // 寻找父级 while (fiber.returnAddr) { if(!consoled) { // 在这里打印查看形成的链表形式的 fiber 对象 consoled=true console.log(fiber) } fiber = fiber.returnAddr; if (fiber.a === 0) { fiber.a = sum; fiber = { arg: fiber.arg - 2, returnAddr: fiber, a: 0 }; continue rec; } sum += fiber.a; } return sum; } else { // 先展开 fiber = { arg: fiber.arg - 1, returnAddr: fiber, a: 0 }; } } }
更新过程的可控主要体现在下面几个方面:
在 React Fiber 机制中,它采用"化整为零"的思想,将调和阶段(Reconciler)递归遍历 VDOM 这个大任务分成若干小任务,每个任务只负责一个节点的处理。
workInProgress 代表当前正在执行更新的 Fiber 树。在 render 或者 setState 后,会构建一颗 Fiber 树,也就是 workInProgress tree,这棵树在构建每一个节点的时候会收集当前节点的副作用,整棵树构建完成后,会形成一条完整的副作用链。
currentFiber 表示上次渲染构建的 Filber 树。在每一次更新完成后 workInProgress 会赋值给 currentFiber。在新一轮更新时 workInProgress tree 再重新构建,新 workInProgress 的节点通过 alternate 属性和 currentFiber 的节点建立联系。
在新 workInProgress tree 的创建过程中,会同 currentFiber 的对应节点进行 Diff 比较,收集副作用。同时也会复用和 currentFiber 对应的节点对象,减少新创建对象带来的开销。也就是说无论是创建还是更新、挂起、恢复以及终止操作都是发生在 workInProgress tree 创建过程中的。workInProgress tree 构建过程其实就是循环的执行任务和创建下一个任务。
当第一个小任务完成后,先判断这一帧是否还有空闲时间,没有就挂起下一个任务执行,记住当前挂起的节点,让出控制权给浏览器执行更高优先级的任务。
在浏览器渲染完一帧后,判断当前帧是否有剩余时间,如果有就恢复执行之前挂起的任务。如果没有任务需要处理,代表调和阶段完成,可以开始进入渲染阶段。
使用前面提到的 RIC (RequestIdleCallback) 浏览器原生 API,React 源码中为了兼容低版本的浏览器,对该方法进行了 Polyfill。
答案是在前面提到的链表。在 React Fiber 中每个任务其实就是在处理一个 FiberNode 对象,然后又生成下一个任务需要处理的 FiberNode。
其实并不是每次更新都会走到提交阶段。当在调和过程中触发了新的更新,在执行下一个任务的时候,判断是否有优先级更高的执行任务,如果有就终止原来将要执行的任务,开始新的 workInProgressFiber 树构建过程,开始新的更新流程。这样可以避免重复更新操作。这也是在 React 16 以后生命周期函数 componentWillMount 有可能会执行多次的原因。
React Fiber 除了通过挂起,恢复和终止来控制更新外,还给每个任务分配了优先级。具体点就是在创建或者更新 FiberNode 的时候,通过算法给每个任务分配一个到期时间(expirationTime)。在每个任务执行的时候除了判断剩余时间,如果当前处理节点已经过期,那么无论现在是否有空闲时间都必须执行该任务。过期时间的大小还代表着任务的优先级。
任务在执行过程中顺便收集了每个 FiberNode 的副作用,将有副作用的节点通过 firstEffect、lastEffect、nextEffect 形成一条副作用单链表 A1(TEXT)-B1(TEXT)-C1(TEXT)-C1-C2(TEXT)-C2-B1-B2(TEXT)-B2-A。
其实最终都是为了收集到这条副作用链表,有了它,在接下来的渲染阶段就通过遍历副作用链完成 DOM 更新。这里需要注意,更新真实 DOM 的这个动作是一气呵成的,不能中断,不然会造成视觉上的不连贯(commit)。
<div id="A1">
A1
<div id="B1">
B1
<div id="C1">C1</div>
<div id="C2">C2</div>
</div>
<div id="B2">
B2
</div>
</div>
基于时间分片的增量更新需要更多的上下文信息,之前的vDOM tree显然难以满足,所以扩展出了fiber tree(即Fiber上下文的vDOM tree),更新过程就是根据输入数据以及现有的fiber tree构造出新的fiber tree(workInProgress tree)。
FiberNode 上的属性有很多,根据笔者的理解,以下这么几个属性是值得关注的:return、child、sibling(主要负责fiber链表的链接);stateNode;effectTag;expirationTime;alternate;nextEffect。各属性介绍参看下面的class FiberNode
:
class FiberNode { constructor(tag, pendingProps, key, mode) { // 实例属性 this.tag = tag; // 标记不同组件类型,如函数组件、类组件、文本、原生组件... this.key = key; // react 元素上的 key 就是 jsx 上写的那个 key ,也就是最终 ReactElement 上的 this.elementType = null; // createElement的第一个参数,ReactElement 上的 type this.type = null; // 表示fiber的真实类型 ,elementType 基本一样,在使用了懒加载之类的功能时可能会不一样 this.stateNode = null; // 实例对象,比如 class 组件 new 完后就挂载在这个属性上面,如果是RootFiber,那么它上面挂的是 FiberRoot,如果是原生节点就是 dom 对象 // fiber this.return = null; // 父节点,指向上一个 fiber this.child = null; // 子节点,指向自身下面的第一个 fiber this.sibling = null; // 兄弟组件, 指向一个兄弟节点 this.index = 0; // 一般如果没有兄弟节点的话是0 当某个父节点下的子节点是数组类型的时候会给每个子节点一个 index,index 和 key 要一起做 diff this.ref = null; // reactElement 上的 ref 属性 this.pendingProps = pendingProps; // 新的 props this.memoizedProps = null; // 旧的 props this.updateQueue = null; // fiber 上的更新队列执行一次 setState 就会往这个属性上挂一个新的更新, 每条更新最终会形成一个链表结构,最后做批量更新 this.memoizedState = null; // 对应 memoizedProps,上次渲染的 state,相当于当前的 state,理解成 prev 和 next 的关系 this.mode = mode; // 表示当前组件下的子组件的渲染方式 // effects this.effectTag = NoEffect; // 表示当前 fiber 要进行何种更新(更新、删除等) this.nextEffect = null; // 指向下个需要更新的fiber this.firstEffect = null; // 指向所有子节点里,需要更新的 fiber 里的第一个 this.lastEffect = null; // 指向所有子节点中需要更新的 fiber 的最后一个 this.expirationTime = NoWork; // 过期时间,代表任务在未来的哪个时间点应该被完成 this.childExpirationTime = NoWork; // child 过期时间 this.alternate = null; // current 树和 workInprogress 树之间的相互引用 } }
图片来源:完全理解React Fiber
js 代码解读 复制代码function performUnitWork(currentFiber){ //beginWork(currentFiber) //找到儿子,并通过链表的方式挂到currentFiber上,没有儿子就找后面那个兄弟 //有儿子就返回儿子 if(currentFiber.child){ return currentFiber.child; } //如果没有儿子,则找弟弟 while(currentFiber){//一直往上找 //completeUnitWork(currentFiber);//将自己的副作用挂到父节点去 if(currentFiber.sibling){ return currentFiber.sibling } currentFiber = currentFiber.return; } }
Concurrent Mode 指的就是 React 利用上面 Fiber 带来的新特性的开启的新模式 (mode)。react17开始支持concurrent mode,这种模式的根本目的是为了让应用保持cpu和io的快速响应,它是一组新功能,包括Fiber、Scheduler、Lane,可以根据用户硬件性能和网络状况调整应用的响应速度,核心就是为了实现异步可中断的更新。concurrent mode也是未来react主要迭代的方向。
目前 React 实验版本允许用户选择三种 mode:
Concurrent Mode 其实开启了一堆新特性,其中有两个最重要的特性可以用来解决我们开头提到的两个问题:
Pending -> Skeleton -> Complete
的更新路径, 用户在切换页面时可以停留在当前页面,让页面保持响应。 相比展示一个无用的空白页面或者加载状态,这种用户体验更加友好。其中 Suspense 可以用来解决请求阻塞的问题,UI 卡顿的问题其实开启 concurrent mode 就已经解决的,但如何利用 concurrent mode 来实现更友好的交互还是需要对代码做一番改动的。
资料参考:Concurrent 模式介绍 (实验性) | 理解 React Fiber & Concurrent Mode | 11.concurrent mode(并发模式是什么样的) | 人人都能读懂的react源码解析
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